ЛИТОЛОГИЯ И ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ, 2011, № 4, с. 407-413
УДК 553.91+548.73
РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ ГРАФИТСОДЕРЖАЩИХ ПОРОД РУДОПРОЯВЛЕНИЯ ПЕСТПАКША И СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ГРАФИТА © 2011 г. С.А. Волкова, О.М. Ильичёва, О.Б. Кузнецов
ФГУП "Центральный научно-исследовательский институт геологии нерудных полезных ископаемых"
420097 Казань, ул. Зинина, 4;
E-mail: atsic@geolnerud.net Поступила в редакцию 12.05.2009 г.
Методом рентгенографии проведено изучение графитсодержащих пород и графитов из метаморфических пород докембрия рудопроявления Пестпакша, расположенного в Мурманской области. Установлен сложный поликомпонентный состав пород. Графит находится в ассоциации с гранатом и кварцем, пироксеном и амфиболом, биотитом и кварцем с примесью пирротина, кианита, хлорита и др. Изученные пробы разделены на пять групп, различающихся по минеральному составу. Определены структурные характеристики графита — параметры а0, с0, степень структурного совершенства U, содержание ромбоэдрической фазы R и др. Установлена зависимость их величины от принадлежности к той или иной минеральной группе. Величина графитации U исследованных графитов изменяется от 1.04 до 1.56 (преобладающие значения — 1.4—1.5), а содержание ромбоэдрической фазы в пробах не превышает 18%. Это свидетельствует в целом об относительно высокой степени трехмерного порядка структуры графитов, типичных для пород зоны метаморфизма. Графиты из метасоматитов отличаются наиболее низкими значениями U, а породы коры выветривания — низкими значениями областей когерентного рассеяния (ОКР). Установлена связь изменения межплоскостного расстояния d002 с глубиной залегания графита. Отмечается, что степень эластичности и гибкости графита обусловлена условиями его существования на стадии регрессивного метаморфизма.
Графит как углеродистое вещество обладает уникальными свойствами — огнестойкостью, высокой теплопроводностью, электропроводностью, антифрикционными и другими полезными свойствами и имеет широкое применение в промышленности. Свойства графитового вещества зависят от его кристаллической структуры. В частности, прочность изделий из графита во многом зависит от его дисперсности. Крупнокристаллические разности графита очень легко разделяются по плоскостям спайности, поэтому изделия из них обладают низкой механической прочностью и твердостью. Очевидно, что исследование тонких особенностей структуры природных разностей графита является весьма актуальным. В работе были изучены состав графитсодержащих пород и структурные особенности графита рудопроявления Пестпакша, расположенного в юго-западной части Мурманской области. Основным методом исследования служил рентгенографический анализ. Были изучены 18 проб исходных пород и 18 графитовых концентратов.
ХАРАКТЕРИСТИКИ СТРУКТУРЫ ГРАФИТА
Основной структурной единицей углеродного вещества, как известно, являются сетки конден-
сированного ароматического углерода в виде гексагональных колец. Структура графита образуется плотнейшей упаковкой плоских параллельных сеток углерода с чередованием их в два слоя. Слои смещены в горизонтальном направлении один относительно другого на величину, равную расстоянию между атомами в слое в 1.42 А, повторяясь через ряд и образуя двухслойный гексагональный политип — 2Н. Кроме гексагонального политипа графита существует ромбоэдрический политип 3Я, где происходит двукратное смещение гексагональных сеток. Модификация 3Я в чистом виде не наблюдается, отмечается лишь ее смесь с модификацией 2Н [Чухров и др., 1986]. Специфика структуры графита заключается в том, что он находится в конце ряда углеродистых веществ, различающихся величиной структурной упорядоченности. Положение в этом ряду определяется искажениями строения отдельных атомных слоев, их ориентировками относительно соседних сеток, размерами бездефектных блоков структуры. Собственно графит характеризуется структурой с плотнейшей гексагональной упаковкой и наиболее высокой степенью структурной упорядоченности. В природном графите, как правило, встречается небольшая примесь ромбоэдрической фазы, максимально доходящая до
30%. Известно, что при термической обработке выше 2800°С ромбоэдрический политип в графите полностью переходит в гексагональный, что свидетельствует о его нестабильности. Ромбоэдрическая упаковка может рассматриваться как один из видов дефектов упаковки.
Особенности структурного состояния графита определяются условиями его формирования. Существует четкая зависимость между рентгенографическими характеристиками графита и термодинамическим режимом метаморфизма. Так, в работе [Бискэ, 1982] показано, что в породах ладожского комплекса графит из разных зон метаморфизма характеризуется разными значениями трехмерной упорядоченности, размерами блоков когерентного рассеяния и др. параметрами. В породах, прошедших стадию высокотемпературного метаморфизма, преобладает графит политип-ной модификации 2Н, со структурой, близкой к идеальной, с максимальной степенью трехмерной упорядоченности, с величиной графитации около 1.5 и размерами ОКР более 1000 А. Связь количества ромбоэдрической фазы в графите с условиями метаморфизма установлена Б.Кви-ценской [Кдаест8ка, 1978] и другими авторами. Так, ими отмечалось, что содержание ромбоэдрической фазы уменьшается с увеличением степени регионального метаморфизма (для высокой стадии — 2—10% Я, средней — 10—24% Я, низкой — 22—27% Я). То есть количество ромбоэдрической фазы в графите растет с уменьшением размеров его кристаллитов и с уменьшением степени метаморфизма пород.
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ И РАСЧЕТА СТРУКТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ
Рентгенографический анализ проведен на ди-фрактметре D8 Advance фирмы Bruker Axs на монохроматическом CuZa-излучении. Основные режимы прибора: напряжение на рентгеновской трубке 40 кВ, сила тока 30 мА. Определение минерального состава (фазовый анализ) осуществлялось съемкой порошкового препарата в круглых кюветах в интервале углов отражения 3°—86° 20 с шагом сканирования 0.05° и экспозицией в точке 1 с. Для приготовления прочного препарата из сыпучего концентрата графита исследуемая проба перемешивалась в небольшом количестве спирта. Структурные параметры определялись при съемке пробы в специальной кювете с "боковой набивкой" и эталоном кремния (Si). Съемка проводилась в медленном режиме: с шагом 0.02°, экспозицией 3 с в 4 интервалах углов отражения: 25°—30°, 41°—49°, 53°—57° и 75°-86° 20. Подготовка и съемка всех проб проводились в одинаковых условиях.
Детальное изучение структурных характеристик графита дает дополнительные сведения об условиях формирования графитсодержащих пород. Важными показателями структуры графита, исследуемыми в настоящей работе, были базаль-ный рефлекс d002 и параметры элементарной ячейки а0, со. Точность определения d002 равна ±0.001 А, измерения эталонировались по Si (кремнию). Параметры элементарной ячейки рассчитывались по отражениям 002, 004, 110, 100. Показателем совершенства кристаллической структуры является степень трехмерной упорядоченности графита (степень графитации) — U, определяемая по отношению интенсивностей I112/I110 [Бискэ, 1982]. Содержание ромбоэдрической фазы R% рассчитывалась как отношение I1013r/I[100+101]2h [Чухров, 1986]. С целью оценки величины кристаллитов определялись размеры областей когерентного рассеяния (ОКР) Lc и La. Размеры ОКР рассчитывались из анализа профилей дифракционных линий 002 и 110 по формуле Шерера—
Уоррена: Lc = 0,8 9X , La = 1,84X [Crys-
P002COS 0OO2 Pl10COS 011O
tal..., 1980], где X — длина волны рентгеновского излучения. Дефектность кристаллической структуры графита определялась по увеличению интегральной ширины (р) отражения 004 относительно 002. Поскольку анализ проводился в одинаковых условиях и для однотипных пород, то уширение рефлексов за счет геометрического фактора съемки и поглощения образца представляло постоянную величину и не учитывалось. Физическое уширение р рентгеновских линий определялось в первую очередь дисперсностью блоков (D) и микродеформацией решетки (б). При сравнительном анализе исследуемых проб дефектность графитов оценивалась по отношениям измеренных полуширин р004/р002, величина
D — по отношениям sec 0004/sec 0002, величина б — соответственно tg 0004/tg 0002 [Коршунов, 2004].
МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ПОРОД
Графитсодержащие породы рудопроявления Пестпакша по минеральному составу поликомпонентны, количество минералов в отдельных пробах достигает 12. Графит находится в ассоциации с гранатом и кварцем, пироксеном и амфиболом, биотитом и кварцем, амфиболом и полевыми шпатами. Сопутствующими минералами, отмеченными в небольших количествах в разных пробах, являются хлорит, каолинит, кианит, пирротин, рутил, анатаз и др. В соответствии с основным составом минералов изученные пробы можно подразделить на 5 групп (табл. 1).
Таблица 1. Разделение пород рудопроявления Пестпакша по минеральным группам
Минеральная группа Типы пород Основной минеральный состав Минералы-примеси
I Гнейсы и мета-соматиты кварц, плагиоклаз, гранат, графит, амфибол, пироксен, биотит хлорит, каолинит, смешанослой-ный монтмориллонит — гидрослюдистый минерал,рутил
II Метасоматиты в амфиболитах амфибол, плагиоклаз, биотит, кварц, графит, пирротин хлорит
III Гнейсы амфибол, пироксен, биотит, плагиоклаз, графит, кварц, пирротин хлорит, смешанослойный монтмориллонит — гидрослюдистый минерал, гранат
IV Метасоматиты биотит, плагиоклаз, кварц, гранат, графит, калиевый полевой шпат, амфибол, кианит хлорит
V Породы коры выветривания гранат, графит, кварц, калиевый полевой шпат, плагиоклаз, биотит, рутил каолинит, хлорит, вермикулит, кианит, анатаз
Преобладающие минералы пород в таблице выделены жирным шрифтом, количество каждого составляет 15—30 мас. %, в метасоматитах из амфиболитов содержание амфибола достигает 55 мас. %. В породах коры выветривания сумма преобладающих минералов достигает 80 мас. %.
Гранат принадлежит ряду пиропа-альмандина с параметром а0 =11.514 ± 0.002 А. Пироксен относится к ряду авгита-диопсида и по дифракционным особенностям (соотношению интенсив-ностей и разрешению основных рефлексов: 2.98
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.